（材料加工工程专业论文）材料状态对16mnr钢组织性能的影响.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文通过膨胀法，结合金相一硬度法、示差热分析法测定了1 6 m n r 钢的连 续冷却转变曲线( c c t 曲线) 。研究了该钢连续冷却过程中奥氏体转变过程及转变 产物的组织形态，并与同类转变曲线进行了比较分析。测定了1 6 m n r 钢在热轧 态、9 7 0 正火空冷至室温、9 7 0 正火风冷至室温、9 1 0 淬火- - 5 5 0 回火等不 同状态下的脆性转变温度、应变时效敏感性系数、疲劳裂纹扩展速率和延性断裂 韧度j i c 。通过金相显微镜、扫描电镜和透射电镜等对其组织结构进行了观察分 析，结果表明：9 7 0 正火和9 1 0 淬火- - 5 5 0 回火处理能够细化组织并改善组 织组成，降低材料的脆性转变温度，9 1 0 淬火- - 5 5 0 回火工艺得到回火索氏体 及更细的组织，更有利于性能的提高和脆性转变温度的降低；在一定的范围内增 加冷却速度可以降低1 6 m n r 钢应变时效敏感性、提高延性断裂韧度，而较快的 冷却速度下冷却，会增加材料的硬度、增大缺口敏感性和提高疲劳裂纹扩展速率。 关键词：1 6 m n r 钢；c c t 曲线：脆性转变温度；应变时效敏感性；疲劳裂纹扩 展速率；延性断裂韧度j i c 中南大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ed i f f e r e n td i l a t o m e t r i cc u r e so fc o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nh a v e d e t e r m i n e db yg l e e b l e - 1 5 0 0t h e r m a lm e c h a n i c a ls i m u l a t e ，a n dc o m b i n e d m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s - h a r d n e s sm e a s u r e m e n ta n dd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i st h e c c td i a g r a mi so b t a i n e d ；t h em i c r o s t r c t u r eo ft h ep r o d u c to ft h ec o n t i n u o u sc o o l i n g t r a n s f o r m a t i o no c c u r r i n gi n1 6 m n ra n dt h er e a s o nf o rt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n1 6 m n r a n dc o m m o ns t e e lw e r ei n v e s t i g a t e d t h ed u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ， s t r a i n - a g i n gs e n s i b i l i t y ，f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t ea n dd u c t i l ef r a c t u r et o u g h n e s s j i co f1 6 m n rs t e e li ns t a t u so fh o tr o l l i n g ，a i rc o o l i n ga f t e r9 7 0 。c n o r m a l i z i n g ，w i n d c o o l i n ga f t e r9 7 0 。cn o r m a l i z i n ga n d5 5 0 。cd r a w i n gt e m p e ra f t e r9 1 0 cq u e n c h i n g h a v eb e e nd e f i n e d a n dt h em r i c os t r u c t u r eo ft h e mw e r ei n v e s t i g a t e db yo p t i c a l m i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p ea n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h es t e e lu n d e rt h et r e a t m e n to f9 7 0 n o r m a l i z i n ga n d 5 5 0 。cd r a w i n gt e m p e ra f t e r9 1 0 。cq u e n c h i n gh a v el o w e rd u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r eb e c a u s eo fb e t t e ra n dt h i n n e rs t r u c t u r e ，5 5 0 cd r a w i n gt e m p e ra f t e r 9 1 0 cq u e n c h i n gt r e a t m e n tc a no b t a i nt e m p e r e ds o r b i t ea n dt h i n n e s ts t r u c t u r e ，s oh a s t h eb e s tp e r f o r m a n c ea n dl o w e s td u c t i l e - b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e u n d e rt h e q u i c k e rc o o l i n gr a t e ( w i n dc o o l i n g ) ，c a no b t a i n l o w e rs t r a i n - a g i n gs e n s i b i l i t ya n d h i g h e rd u c t i l ef r a c t u r et o u g h n e s sj i ct h a na i rc o o l i n g b u th a v eah i g h e rf a t i g u ec r a c k p r o p a g a t i o n r a t eb e c a u s et h i sc a ni n c r e a s et h eh a r d n e s sa n dn o t c hs e n s i t i v i t yo fs t e e l s k e yw o r d s16 m n rs t e e lc o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nc u r v e d u c t i l e - b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e s t r a i n - a g i n gs e n s i b i l i t y f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e d u c t i l ef r a c t u r et o u g h n e s sh c 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它首段保存学位论文；学校可根 据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 11 6 1 1 n r 钢概述 第一章文献综述 1 1 11 6 m n r 钢用途及生产现状 1 6 m n r 钢是一种较常用的低碳低合金的压力容器用钢，常规化学成分如表 卜l 所示l ，以m n 为主要合金元素。以热轧状态交货，某些厚板需经正火热处理。 1 6 m n r 钢在热轧状态下具有较高的强度和韧和及良好的焊接性，综合性能良好， 焊接工艺简单，生产质量稳定，生产成本较低。在普通合金钢中，1 6 m n r 钢是目 前生产量最大、使用最广的一个钢种口i 。 表1 - 11 6 m n r 钢的化擘成分要求 注：可添加微合金元素 1 6 m n r 钢在船舶、锅炉、大型容器、管道、厂房结构、电站设备、重型机械 仪器等多个领域都有重要的用途，主要用于制造单层卷焊容器、多层包扎容器、 多层热套容器和球形容器等。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用 钢板。由于压力容器使用条件复杂，有的盛装易燃、易爆物品，有的盛装有毒物品， 这些易燃、易爆、有毒的物品一旦泄漏，将会造成严重的环境污染并危及人生安 全，因此对制造容器的钢材提出了较为严格的要求，对抗拉强度、屈服强度、冲 击韧性、延伸率、焊接性能等都有一定要求。压力容器钢板国家标准修订后，对 低温韧性提出了较高的要求，冲击温度由常温2 0o c 修订为0o c ，原有生产工艺 已不能满足要求，为此，要对1 6 m n r 钢板的化学成份和加工工艺进行了进一步优 化p i 。 随着科学技术的不断进步和人们环境意识的不断增强，压力容器不断向大 容量、高参数化方向发展，对1 6 m n r 钢的要求亦越来越高。为了满足用户对钢材 性能日益提高的要求，各钢铁企业都在不断地研究、开发新工艺，应用各种新技术， 实现组织性能的最优化、生产成本的最低化f 4 j 。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 2 常用热处理工艺及常规性能 1 6 m n r 一般在热轧状态下使用，为改善中厚板的塑性和韧性，可进行控轧或 正火处理。在作特殊用途时，可根据需要进行退火处理或者淬火后回火的调质处 理。对于1 6 m n r 钢铸件以热处理状态使用为宜，常用热处理工艺为正火及回火5 1 。 1 6 m n r 钢具有良好的综合力学性能和工艺性能。 表卜2 为1 6 m n r 钢的机械性能嘲。 表1 - 21 6 m n r 钢的常规力学性能 表卜3 为1 6 m n r 钢的低温冲击韧性。 表1 - 31 6 9 n r 钢的低温冲击韧性 表1 - 4 为时效前后冲击韧性。 表1 - 41 6 m a r 钢的时效前后冲击韧性 2 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 j r = 4 6 8 4 + 1 3 5 6 a a ：t ：4 3 7 ( n m m ) j 弗i 9 4 ( n r a m ) j o m - 5 7 8 2 ( n m m )j 0 2 - 卸8 4 0 ( n m m ) 1 2 钢的过冷奥氏体转变曲线 钢件热处理后的性能在很大程度上取决于冷却时奥氏体转变产物的类型和 形态。研究过冷奥氏体的组织转变，对正确制定热处理工艺，从而获得一定性能 的产品具有重要的意义。钢经过奥氏体化后的冷却过程中，奥氏体将发生分解， 并发生一系列组织转变，由于转变温度不同，过冷奥氏体将按不同机理转变成完 全不同的组织，在较高温度范围内以珠光体转变进行相变，在中温范围内可得到 贝氏体组织，而在低温范围内以马氏体转变机理进行相变。f e _ - c 合金相图揭示 的是在平衡或亚平衡条件下成分、温度和组织之间的变化情况。不能表示热处理 过程中在非平衡条件下的转变规律。虽然转变类型主要取决于形成温度，但是转 变程度和速度往往又与时间密切相关，就是说成分一定的过冷奥氏体转变是一个 与温度和时间( 或冷却速度) 相关的过程。通常可以利用温度、时间和转变程度 之间关系的过冷奥氏体转变图表示 7 1 。 1 2 1 过冷奥氏体的转变曲线分类 表示过冷奥氏体等温转变时的转变量与等温时间之间的关系的曲线称为 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 奥氏体等温转变曲线( r 丌图) 。曲线的形状随钢的成分不同发生变化，但大 体上不外乎图1 1 所示的四种类型，它们基本上呈“c ”型或“s ”型，所以 根据其形状，通常称之为“c ”曲线。图l - 2 就是共析钢的等温转变曲线图。 等温转变曲线反映的是过冷奥氏体等温转变的规律，可以直接用来指导等温 热处理工艺的制定嘲。 图i - i 不同类型的等温转变曲线 图i - 2 共析钢等温转变曲线 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 过冷奥氏体连续转变曲线( c c t 图) 反映了钢经过奥氏体化后的冷却过程中， 过冷奥氏体转变与温度、时间之间关系，可以用来分析在不同冷却速度下，过冷 奥氏体的转变产物、转变量和硬度的变化情况。钢的化学成分的不同，其c c t 曲线也会发生变化，通常情况下有图1 - 3 、1 - 4 和1 - 5 三种情况。 温 度 图1 3 共析钢的c c t 曲线示意图 翟 度+ 誊 度+ 响_ 图i - - 4 亚共析钢的c c t 曲线示意图 咧可p 图l 一5 过共析铜c c t 曲线示意图 连续冷却条件下，过冷奥氏体是在一个温度范围内发生转变的，连续冷却转 变可以看作由许多温度相差很小的等温转交过程所组成的，所以连续冷却转变得 到的组织可认为是不同温度下等温转交产物的混合物。所以说，c c t 图和”t 图 在某些方面是有联系的，比较共析钢的等温和连续冷却转变曲线，见后者处于前 者的右下方，这表明连续冷却转变相对滞后等温转变，即过冷奥氏体要在较低的 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 温度并经历较长时间才开始转变。 钢的热处理多数是在连续冷却条件下进行的，因此连续冷却转变曲线对热处 理生产具有直接指导作用，但由于c c t 图的测定比较困难，至今实测的c c t 图远 少于t t t 图的数量，应用受到限制f 叭。 2 3 影晌o c t 曲线的因素 影响过冷奥氏体连续冷却转变曲线的形状和位置的因素较多，主要有钢的化 学成分、奥氏体的状态等( 1 0 l 。 1 含碳量的影响 由亚共析钢、共析钢和过共析钢的c c t 曲线( 图i 一3 、1 4 、1 5 ) 可知， 亚共析钢的c c t 曲线上多出一条先共析铁素体线，而且其铁素体一珠光体转变部 分随奥氏体中含碳量的增加逐渐向右移。过共析钢的c c t 曲线中多出一条先共析 渗碳体线，其渗碳体一珠光体转变部分随含碳量的增加逐渐向左移，贝氏体转变 部分则随含碳量的增加向右移。另外，随奥氏体中含碳量的增加，m 。点及m f 点降低。 2 奥氏体状态的影响 细小的奥氏体晶粒，使晶界总面积增加，有利于新相的形核和原子的扩散。 因而有利于先共析转变和珠光体转变。使珠光体转变曲线左移。使点m 。升高， 加快马氏体转变但是晶粒度对贝氏体转变的影响不大，晶粒粗大。 奥氏体的均匀程度对过冷奥氏体连续冷却转变曲线的位置也有影响，奥氏体 成分越均匀，奥氏体就越稳定，新相形核和长大过程所需要的时间就越长，过冷 奥氏体连续冷却转变曲线就越往右移。 此外，奥氏体在高温或低温进行形变也会显著影响珠光体转变速度。因为形 变会细化奥氏体晶粒，或者增加豫结构。一般来说，形变量越大，奥氏体向珠光 体转变速度越快，珠光体转变线越向左移。 3 合金元素的影响 一般来说，除c o 和a 1 ( a l 2 5 ) 以外，所有合金元素溶入奥氏体后都增加 过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体连续冷却转变曲线右移，并使m s 点降低， c o 降低过冷奥氏体的稳定性，使过冷奥氏体连续冷却转变曲线左移，m s 点升高。 。 c r 、m o 、w 、v 、t i 等碳化物形成元素，溶入奥氏体后，除在不同程度上降低 珠光体和贝氏体的转变速度，使过冷奥氏体连续冷却转变曲线右移外，还能改变 其形状。 非碳化物或弱碳化物形成元素n i 、m n 、s i 、c u 、b 等，都不同程度地降低珠 光体和贝氏体的转变速度使过冷奥氏体连续转变向右移动，但不改变其形状。 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 如果钢中同时含有几种合金元素时，其综合作用比单一元素的作用更加复杂。 1 2 40 g t 曲线的应用 c c t 图反映了过冷奥氏体在连续冷却条件下发生转变的规律。由于它和实际 热处理的冷却条件比较相近，因此，可以用c c t 图估计实际热处理之后零件的组 织和性能j ，用来知道制定热处理工艺。 钢材在热处理，焊接或热加工时，内部各位置的组织取决于通过该位置的冷却 行为，一般以冷却曲线表示这种冷却行为。钢的连续冷却转变曲线图，既能表示 钢在不同冷却速度下冷却时的转变行为，也能表示钢材内部各位置的冷却行为。 因此，只要知道了钢材内部某个位置的冷却曲线，对照c c t 图上的冷却曲线， 便可以直接知道该位置的转变温度范围和转变产物，即所得的组织。 临界冷却速度与c c t 曲线的形状与位置有密切的关系。根据c c t 图，可以很 容易的确定产生1 0 0 马氏体或5 0 马氏体的临界冷却速度，还可以确定开始析 出铁素体和完全在珠光体区域内转变的冷却速度。根据有连续冷却转变曲线求得 临界冷却时间，进而计算出所需要的淬火速度。再由此冷却速度，便可选择与之 相应的淬火剂。不同的钢种，在不同的冷却条件下获得哪种组织，可由这种钢的 连续冷却转变曲线，加以适当的估计，选择合适的工艺得到所需的组织1 1 0 】。 1 2 60 0 t 曲线的测定方法 测定钢的过冷奥氏体转变曲线有各种不同的方法，常用的方法有：膨胀法、金 相法和硬度法。测试的主要内容包括临界点a c l 、a c 3 ( 或a r l 、a r 3 ) ，马氏体开 始转变温度m s 点，以及a c l 点至m s 点之间的过冷奥氏体在不同的冷却速度下连 续冷却时的转变过程。把每一冷却速度下的转变开始点、转变终了点以及中间某 一程度转变量的对应时间和冷却曲线等描绘在“温度一时间”坐标上，而后把那 些开始点、终了点及中问某个转变量点，即意义相同的点分别连成连续光滑的曲 线，这就形成了转变曲线，再标明硬度值，这就构成了完整的过冷奥氏体连续冷 却转变曲线。 1 膨胀法 钢的组织变化往往引起其物理性能的变化，可以利用钢物理性能的变化来研 究其组织变化。当钢发生固态相变时，常伴有体积的不连续变化，钢中各相的比 容关系依如下顺序依次递增：奥氏体，铁素体，珠光体，贝氏体，马氏体。如果 有相变发生，则由于新旧两相结构不同、比容不同，材料的体积将发生不连续变 化，因而热膨胀曲线在相变发生的温度处形成拐点。据此，就可以比较容易地确 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 定各种相变点。 从膨胀曲线上确定不同冷却速度下转变的相变温度的方法，通常有极值法、 切线法、平均法等方法。极值法又叫峰值法，取曲线转折率部分的极大值或极小 值的位置做平行于温度轴的直线。其与曲线相切点所对应的温度是为极大值或极 小值，使之作为相变温度，切点是膨胀曲线圆化后出现最小曲率半径的拐点。把 热膨胀曲线上的纯热膨胀( 或纯冷收缩) 的直线段延长，以曲线开始偏离的位置 即切点所对应的温度作为相变点( 即临界点) 的方法称为切线法。将曲线圆化后， 出现拐点，以两边直线部分延长所形成夹角的等分线，与曲线的交点，作为相变 点，其对应温度为相变温度，这种方法为平均法。 极值法的优点是判断相变温度的位置准确，切合实际。而且容易分析和比较 数据。切线法的优点是符合金属学原理，只是判断相变温度的位置很容易受观测 者的主观因素影响，但是对工业应用有足够高的准确度，使用也很方便。本实验 主要用极值法和切线法确定膨胀曲线的相变点。 2 金相一硬度法 膨胀法只能从各种曲线上分析奥氏体转变产物的类型和数量，不能进行直接 观察，尤其是在某些关键部位，由于转变量较少等因素，在膨胀曲线上相变点不 明显，因而测量的准确度受到影响。而且，用膨胀法测定c c t 曲线时，个别低碳 钢和低合金钢的珠光体转变开始温度在曲线上反映不是很明显，因此珠光体转变 开始线难以确定。 在膨胀法基础上，辅以金相法和硬度法，帮助确定珠光体转变开始线。 将一组试样奥氏体化后，按同一冷却速度冷却，然后分别在不同的温度取一 个试样急冷，观察金相组织，由此找到同一冷却速度下的转变开始和结束的温度 范围。根据不同冷却速度下冷至不同温度的组织变化确定转变开始和结束的温度 范围，可绘制c c t 曲线。有时转变产物的金相组织形态不易鉴别出来。例如，下 贝氏体和马氏体的组织就很难区别，所以要辅以硬度法i ”】。 金相法测量需要比较多的试样，工作量也较大，但是可以直接进行观察。因 而，结果还是比较准确的。所以金相法往往作为其他方法的一种补充和必要的校 准手段，用于提高测量的准确度。 1 2 7 膨胀法测量c c t 曲线的国家标准 国家标准y b t 5 1 2 8 9 3 规定了以膨胀法为主，金相法和硬度法为辅测定钢的 连续冷却转变曲线【1 3 】。 亚共析钢的奥氏体化温度一般在a c 3 以上3 0 5 0 ，共析钢、过共析钢一般 在a c i f 以上( 或根据实际需要而定) 。从试样达到奥氏体化温度后。保温1 0 8 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 2 0 m i n ，对合金元素含量较高的钢种，可适当延长保温时问。亚共析钢从奥氏体 化温度冷至a c 3 起开始计时，过共析钢从奥氏体化温度开始降温起计时。 测定一种钢的c c t 曲线图，至少选择1 0 种以上不同冷却速度。 1 测定临界点按照国家标准钢的临界点测定方法进行测定。 2 测定相变过程，将试样加热到奥氏体化温度保温后，以不同的速度连续冷 却到相交结束。 3 用膨胀法无法测出马氏体点时，可用金相法、热分析法、磁性测定法或由 计算法得到。 4 。观察金相组织 金相观察面应在被测试样热电偶焊接点位置的横截面上。曲线“鼻尖”部位 及封闭区域应和金相法或其他方法共同确定。珠光体析出线不明显时，用金相法 确定。 5 测定硬度值 在试样横截面上按国家标准g b 5 0 3 0 - - 8 5 金属小负荷维氏硬度试验方法 规定进行测定。 6 试验结果处理 在以温度为纵坐标，时间对数为横坐标的坐标系上，以a c l 、a a 的温度值绘 出与横坐标平行的直线，再绘出不同的冷却速度曲线。将测定的不同冷却速度时 奥氏体转变的温度，绘在对应的冷却速度曲线上，然后将性质相同的相转变开始 点和结束点分别连成曲线，构成完整的曲线图，标明各区的转变组织和不同冷却 速度下室温的硬度值。 附上全部组织特征的金相照片，一般放大5 0 0 倍。 1 3 钢的冲击韧性与韧脆转变温度及应变时效敏感性 1 3 1 钢的冲击韧性及冲击吸收功 钢材的韧性是指钢材在三维应力作用下塑性变形的能力和所吸收能量的大 小【l ”。韧性量度的指标因着重点的不同，有夏比v 形缺口冲击吸收功a k v ( 简称 冲击功，单位为j ) 或冲击韧度a “单位为j e m 2 ) 、夏比u 型缺口冲击功a i 【。或 冲击韧度a k u ( j e m 2 ) 、脆性转折温度和无延性转折温度( n d t ) ：断裂韧度k i c 、 临界裂缝尖端张开位移( c o d ) 值6 c 等【l 列。为了避免钢结构骤然或意外的脆性破坏 造成损失，选用的钢材在使用条件下应具有足够的韧性储备。为了方便工程应用， 国内外有关钢材标准通常是采用摆锤式冲击弯曲试验来测定试样破坏所需要的 能量，作为衡量钢材韧性的指标，如前述的a k v 、a h 或a k v 、a k u 等。g b l 0 6 2 3 8 9 金 9 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 属力学性能试验术语中关于冲击吸收功和冲击韧度的定义为：规定形状和尺寸 的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功称为冲击吸收功( 如a l c v 或 a l ( i i ) ；冲击试样缺口底部单位横截面上的冲击功称为冲击韧度( 如a k ，或瓠。) 1 6 1 0 影响a k 值的因素很多，既有材料的内在因素又有测试的外部因素。 l - 晶体结构的影响 体心立方的回火马氏体、铁索体、珠光体组织的钢有冷脆现象。而面心立方 的奥氏体钢则无冷脆现象。材料的晶体结构愈复杂，对称性愈差，位错运动的派 一纳力愈高，位错滑移愈困难，对材料的屈服点影响更大，这些材料的冷脆倾向 就更明显，所以这些材料的a k 值与温度有明显的依赖关系。 2 合金元素和杂质的影响 间隙元素的含量与分布是影响钢材冷脆转变的最主要因素之一。在钢中加入 c r 、s i 等将降低上平台冲击功，提高冷脆转变温度，并使转变温度范围扩大， 但钢中加入镍和少量锰却提高上平台冲击功，并降低冷脆转变温度( 转变点左 移) 。磷使钢的冷脆转变温度明显提高。 3 晶粒尺寸的影响 粗大的晶粒，晶界总面积减少，表面能减少而易于脆断，降低a k 值。细小 均匀的晶粒可提高a k 值，降低脆性转变温度。 4 冲击速度的影响 加载速度升高时，材料内部伴随原予跃迁现象的变形过程来不及进行，使 材料脆化( a k 值下降) 。因材料对速度的敏感性不同，冲击速度对不同材料的影 响程度也不同。提高冲击速度有类似降温的作用，即提高冲击速度使a l 【值下降， 韧脆转变温度提高。 5 试样因素的影响 冲击试验方法很多，目前常用的有两种类型，一种是简支梁式冲击弯曲试验， 称为夏比冲击试验，另一种是悬臂梁式冲击弯曲试验，称为艾氏冲击试验。目前 国内外广泛采用的是夏比冲击试验，夏比冲击试样有u 型缺口和v 型缺口之分， 多数国家均采用夏比v 型缺口试样【l ”。我国过去的冲击试验均是采用夏比u 型 缺口试样，从1 9 7 8 年以来，我国的钢材标准已开始逐渐过渡到夏比v 型缺口试样 1 7 - 4 s l 。考虑到冲击试验都是采用的同一标准尺寸，冲击韧性的量度指标可以不用 缺口处单位横截面上的冲击功以使测量工作简化，现行钢材标准大都是直接采用 试件折断时所需的冲击功a k o ) 来衡量钢材的冲击韧性。试样的尺寸和加工精度， 缺口的形状和尺寸、环境温度等对a k 值都有显著影响。 以上只是孤立的对影响a k 值的外部因素作了简单讨论，实际上各种因素 单独的和交互的作用对不同材料产生不同的效果。 1 0 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 2 钢的脆性转变温度与冲击韧性 用a k 评定材料的韧脆性质，虽然有许多不足之处，但在长期使用过程中发 现，它在检验材料品质、内部缺陷、脆性转变及工艺质量等方面，具有比其它常 规方法更为敏感的优点，对材料内部组织结构的微小差异都有反映。因而，冲击 韧性试验是材料生产和研究中，用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效 方法之一，目前仍被广泛采用来评定原材料的冶金质量及热加工后的产品质量、 确定应变时效敏感性、评定钢的韧性与温度的关系、评定焊接接头的性能等。 金属材料的力学性能受温度影响比较大，当温度降低时材料的塑性和韧性会 急剧下降，使材料脆化，低温脆断造成的事故危害性很大。金属由韧性状态转变 为脆性状态的温度叫做脆性转变温度，用符号t k 表示 1 7 l 。为防止低温下压力容 器等设备发生脆性断裂，在工程中常根据压力容器用钢冲击韧性随温度降低而发 生脆性转变的曲线特性，评价其抗低温脆断的能力，并相应规定压力容器用钢的 最低使用温度。 金属的脆性转变温度t k 是通过系列冲击试验测定的，即对同一种材料的冲 击试样，在一系列不同的温度下进行冲击试验，常用方法有，断口形貌法，由于 温度下降时，试样断口上结晶区面积增大，纤维区面积减小，根据两者相对面积 的变化来确定脆性转变温度。能量准则法，以冲击吸收功降低到某一规定数值时 所对应的温度作为脆性转变温度。侧向膨胀法，侧膨胀值一温度曲线上平台与 下平台区间某规定侧膨胀值所对应的温度定义为韧脆转变温度，得到不同温度下 的冲击吸收功，从而绘制出冲击功或断面率随温度而变化的曲线。根据这种曲线 可以确定出材料由韧性状态转变慰脆性状态的脆性转变温度。 脆性转变温度的冲击试验受材料的化学成分、热处理工艺、取样方向、试验 温度、材料的缺陷以及试样尺寸形状影响。 1 3 3 钢的应变时效敏感性与冲击韧性 钢材经冷加工塑性变形或达到规定的塑性应变后，在室温或较高温度下经过 一段时间，其强度与硬度升高而塑性与韧性下降的现象，称为应变时效。这种现象 可以导致钢材塑性急剧下降，脆性增加，这对材料的使用性能以及生产加工很不 利，所以常常需要防止其发生。 钢材的应变时效敏感性与冲击韧性有密切的关系。发生应变时效的钢材，冲 击韧性明显降低，通常以钢材应变时效前后其冲击韧性降低的百分比来衡量钢材 对应变时效的敏感程度，称为应变时效敏感性系数。应变时效敏感性系数，对于焊 接结构和要求冷塑性成形的钢材是一项重要的指标。碳素结构钢的应变时效敏感 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 性系数一般要求不大子5 0 ，低合金钢的应变时效敏感性系数一般在4 0 以下f l ”。 g b 4 1 6 0 2 0 0 4 规定钢材的应变时效敏感性用夏比冲击试验法测定，标准试样 为v 型或u 型缺口试样，定义应变时效冲击功a 。( v 形缺口用a 。表示，u 形缺 口用a l c i i s 表示) 为经受规定应变和人工时效后的冲击功，单位为j 或k g f m ：应 变时效冲击韧性值a 。( v 形缺口用巩。表示，u 形缺口用钆。表示) 为应变时效冲击 吸收功除以试样缺口底部处横截面面积所得的商，单位为j c m 2 或k g f m c m 2 ： 应变时效敏感性系数c 为钢材经应变时效前后的冲击功平均值之差与未经应变 时效的冲击功平均值之比，可用个公式( 1 1 ) 表达。 一j c = = 塑1 0 ( p a( 卜1 ) 4 式中：以冲击吸收功的平均值 以应变时效冲击吸收功的平均值 应变时效与钢材成分、冶炼方法、塑性应变量的大小及温度条件等因素有关 1 1 9 。钢材的含碳量愈低，愈容易发生应变时效，合金元素对钢材的应变时效也有 一定的影响，加入适量的镍能显著降低应变时效倾向1 2 0 。沸腾钢的时效现象最严 重，不宜用作冷塑性成形和焊接施工的重要结构与设备，如锅炉、容器、船舶、桥 梁等。冷加工塑性变形的应变量愈大，应变时效愈显著，一般来说，当塑性变形 后的残余应变量超过1 0 后，应变时效程度不再增加。出现应变时效最明显的时间 与温度条件有关，在温度小于3 0 0 时，温度愈高，出现应变时效的时间就愈短， 甚至在不到l h 即出现最大的应变时效量，当温度大于3 0 0 后，应变时效将逐渐 减弱以至消失i t s 。 1 3 4 国内外关于压力容器钢的冲击试验有关规定 我国现行压力容器国家标准对冲击试验有系列规定1 2 m 2 】：钢材的技术要求应 符合相应的国家标准、行业标准或有关技术条件的规定；钢材冲击试验方法采用 夏比v 型缺口冲击试验，试样取样方向为横向：对调质状态供货的钢板或用于壳 体厚度大于6 0 n u n 的钢板，应逐张进行夏比( v 型缺口) 冲击( 常温或低温) 试验，试样 取样方向为横向；当使用温度低于0 c 时，应每批取一张或逐张钢板进行夏比( v 型缺口) 低温冲击试验，试样取样方向为横向，对照标准给出的相应的低温冲击功 指标。 我国现行锅炉用钢板标准除规定了常温冲击功指标a k , ( v 型缺口) 外1 1 7 1 , 还提 出了应变时效冲击韧性值a k 。c o 型缺口) 的要求，试样的取样方向均为横向【i “。 美、日、英、法、德等国的钢材标准和压力容器规范都是采用a h 值( 夏比v 1 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 型缺口冲击功) 作为衡量钢材的韧性指标的1 1 5 1 。关于钢板冲击试样的取样方向，日 本和英国的钢材标准及压力容器规范规定为纵向取样：美国a s m e 规范对部分钢 材规定既可取纵向试样，也可取横向试样，其冲击功指标要求是相同的，而对有些 钢材则同时给出了纵向试样和横向试样的冲击功指标1 2 3 1 。1 9 8 3 年国际标准化组 织在技术报告钢材标准中确定冲击韧性的基本准则中建议，对承压设备用钢 材的冲击试验应尽可能取横向试样i 2 4 - 3 0 l 。 1 4 金属疲劳裂纹扩展速率 压力容器在使用中要反复承受加载一卸载的应力循环，导致结构中应力集中 区损伤场发生变化，逐渐积累以至萌生疲劳裂纹，最终发生断裂。统计资料表明， 6 0 年代以来的压力容器破坏事故中有6 0 是由疲劳裂纹引起的，失效循环周次 一般不超过1 0 6 周，所以压力容器的破坏大多数表现为低周疲劳破坏。因此有必 要对压力容器低周疲劳裂纹的萌生、扩展以及断裂现象进行深入的研究，这方面 的工作也是近二十年来断裂力学研究的重要内容之一。 1 4 1 疲劳裂纹扩展速率的定义及测定方法 疲劳裂纹扩展速率d o d n 表示裂纹扩展的快慢，它是指材料在疲劳载荷作用 下裂纹长度d 随着循环周次n 的变化率。利用尖端口带预裂纹的标准试件，如 紧凑拉伸( c t ) 试样、，中间裂纹拉伸( c c t ) 试样、三点弯曲( s e b ) 试样， 在给定载荷条件下进行恒幅疲劳试验，记录扩展过程中的裂纹长度a 和循环次数 n ，即可得到a n 曲线。 p a r i s 提出了下述关系【3 1 1 ： 口h d n = c ( 足1 。( 1 2 ) 式中：c 一加载条件和试验相关的材料常数； m 一材料常数； k 一应力强度因子。 若将由试验获得的裂纹扩展数据( d 矾n ) 广( k ) i 画在双对数图中，就 得到图l 一3 所示的d o d n - - a k 曲线，它是一条反s 型曲线。典型的d c t d n - - a k 曲线一般可分为三个区域： 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 图卜3 典型d a d n 一k 曲线 区域i 是低速率区，区域i 中d o d n - - a k 曲线较陡，存在一个应力强度因子 幅度的门槛值k 出，k m 是估计裂纹是否扩展的一个重要的材料参数，当应力 强度因子幅度a k a i 时，裂纹将不发生扩展。当d a d n _ 贝氏体，高碳 钢的断裂韧度，下贝氏体 回火马氏体 上贝氏体，板条马氏体 针状马氏体， 回火索氏体 回火届氏体 回火马氏体，马氏体组织中存在一定的残余奥氏体可 提高断裂韧度。 大多数结构钢的断裂韧度随温度降低而下降，但随材料强度增加，k i c 随温 度变化的趋势趋于缓和。材料在变形过程中应变速率越大，断裂韧度则越低。但 当应变速率很大时，形变热量来不及传导，造成绝热状态，导致局部温度升高， 断裂韧度又回升。 一些特殊改性处理如亚稳淬火、超高温淬火和形变热处理等对材料的断裂韧 度也有很大的影响 1 5 4j 积分的测量方法 j 积分的测量方法主要为单试样法和多试样法。单试样的原理是根据卸载再 1 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 加载过程中弹性柔度的变化，来得到j r 曲线。其优点是实验过程简单，取样方 便，经济性好，但测得结果离散度大，精确度小。多试样法是将试样形状和尺寸 相同，初始裂纹尺寸相近的几个试样加载到预先选好的不同位移水平，得出